一种掘进机的法向锚杆机构的制作方法

本发明涉及锚杆支护技术领域，更具体地说，涉及一种掘进机的法向锚杆机构。

背景技术：

锚杆支护是全断面掘进机施工中常用的围岩支护方式，主要通过锚杆钻机钻孔，然后进行锚固。隧道施工中由于空间限制，对钻机安装布置及相关连接件的结构、尺寸有一定的要求，需确保钻机有足够的运动空间和灵活性，并且要保证钻孔的准确性和高效性。

锚杆的锚固作用体现为径向力和切向力的作用，径向锚固力对围岩施加围压，将围岩由单向或双向受力状态转化为三向受力状态，提高围岩的稳定性；锚杆贯穿同一岩层中的弱面，切向锚固力改善了弱面的力学性质，从而改善了围岩的力学性质。径向锚固力主要起支护作用，切向锚固力起加固作用，在巷道支护中主要是径向锚固力起作用，因此增大径向力的值，可以提高锚固效果。

综上所述，如何增加锚杆的径向锚固力，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种掘进机的法向锚杆机构，可实现法向钻孔，增大锚杆机构的径向锚固力。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种掘进机的法向锚杆机构，包括：用于与掘进机连接的滑车、沿所述滑车的长度方向可移动设置的钻机装置以及用于控制所述钻机装置动作的控制装置，所述钻机装置包括用于带动钻机在垂直于隧道轴线方向的平面内具有水平方向移动分量的摆臂系统，所述摆臂系统与所述控制装置连接；

所述摆臂系统与所述滑车连接，所述钻机在垂直于隧道轴线方向的平面内可转动的设置于所述摆臂系统，以实现所述钻机的法向钻孔。

优选的，所述摆臂系统包括可沿所述滑车的长度方向移动的行走小车、转动连接于所述行走小车的大臂，以及一端转动连接于所述行走小车、另一端转动连接于所述大臂的补偿油缸；

所述钻机与所述大臂连接，所述补偿油缸伸缩运动，以使所述大臂带动所述钻机移动至所述钻机、所述摆臂系统的铰接点与待钻孔的法线重合的位置，所述补偿油缸与所述控制装置连接；

所述钻机和所述摆臂系统的铰接点为所述钻机相对于所述摆臂系统转动的转动中心轴与垂直于所述隧道轴线方向上所述待钻孔中心所在平面的交点；

所述待钻孔的法线为垂直于所述待钻孔的切平面且经过所述待钻孔中心的直线。

优选的，所述行走小车、所述大臂和所述补偿油缸呈三角形结构设置。

优选的，所述大臂设置有用于带动所述钻机相对于所述大臂转动、以使所述钻机的钻杆所在直线与所述待钻孔所在法线重合的摆动马达，所述摆动马达与所述控制装置连接。

优选的，所述摆动马达与小臂连接，所述小臂与钻机连接。

优选的，所述滑车设置有用于推动所述钻机装置相对于所述滑车移动的行走油缸，所述行走油缸的一端与所述滑车连接，另一端与所述钻机装置连接，所述行走油缸与所述控制装置连接。

优选的，所述滑车设置有行走轨道，所述钻机装置设置有用于与所述行走小车配合的行走轨道，所述行走小车沿所述行走轨道滑动以使所述钻机装置相对于所述滑车滑动。

优选的，所述钻机包括与所述摆动马达连接的推进梁支座、与所述推进梁支座连接的凿岩机以及用于带动所述凿岩机工作的推进油缸；

所述推进油缸设置于所述推进梁支座，所述推进油缸与所述控制装置连接。

优选的，其特征在于，所述钻机装置包括沿所述滑车的宽度方向对称设置的第一钻机装置和第二钻机装置。

优选的，还包括用于检测所述钻机的钻杆中心线所在位置并将检测结果传递给所述控制装置的传感器，所述传感器与所述控制装置连接。

本发明提供的掘进机的法向锚杆机构，包括：用于与掘进机连接的滑车、沿滑车的长度方向可移动设置的钻机装置以及用于控制钻机装置动作的控制装置，钻机装置包括用于带动钻机在垂直于隧道轴线方向的平面内具有水平方向移动分量的摆臂系统，摆臂系统与控制装置连接；摆臂系统与滑车连接，钻机在垂直于隧道轴线方向的平面内可转动的设置于摆臂系统，以实现钻机的法向钻孔。

在使用的过程中，当需要对待钻孔位置进行钻孔时，可先使钻机装置相对于滑车沿隧道的长度方向移动至钻机的钻杆所在直线与待钻孔在垂直于隧道轴线方向上所在平面重合的位置，然后使摆臂系统相对于滑车沿水平方向移动，直至钻机与摆臂系统的转动中心轴与待钻孔的法线相交，然后使钻机相对于摆臂系统转动至钻机的钻杆中心线与待钻孔的法线重合的位置，此时钻机对待钻孔进行钻孔即可实现待钻孔的法向钻孔。

另外，滑车一般设置于隧道的下部，因此钻机装置具有更大的空间实现法向钻孔，因此可以实现在有限的空间内实现法向钻孔。

由于法向钻孔的过程中，钻机的钻杆中心线与待钻孔的法线夹角为0°，径向锚固力fr＝fcosα，其中fr为径向锚固力，f为锚固力，α为钻机的钻杆中心线与待钻孔法线之间的夹角，当α为0°时，可以获得最大的径向锚固力，提高巷道支护中的锚固效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的掘进机的法向锚杆机构的具体实施例一的正视图；

图2为锚杆的受力示意图；

图3为钻机的结构示意图；

图4为钻机装置的结构示意图；

图5为对a点进行法向钻孔的结构示意图；

图6为对b点进行法向钻孔的结构示意图。

图1-6中：

1为钻机、101为推进梁支座、102为推进油缸、103为凿岩机、2为摆臂系统、201为小臂、202为摆动马达、203为补偿油缸、204为行走小车、205为大臂、3为行走油缸、4为行走轨道、5为滑车、f为锚固力、fr为径向锚固力、ft为切向锚固力、p为待钻孔所在切平面、α为钻机的钻杆中心线与待钻孔法线之间的夹角、o为圆弧形隧道在垂直于隧道轴线方向平面内的圆心。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种掘进机的法向锚杆机构，可以实现法向钻孔，增大锚杆的径向锚固力。

请参考图1-6，图1为本发明所提供的掘进机的法向锚杆机构的具体实施例一的正视图；图2为锚杆的受力示意图；图3为钻机的结构示意图；图4为钻机装置的结构示意图；图5为对a点进行法向钻孔的结构示意图；图6为对b点进行法向钻孔的结构示意图。

本具体实施例提供的掘进机的法向锚杆机构，包括用于与掘进机连接的滑车5、沿滑车5的长度方向可移动设置的钻机装置以及用于控制钻机装置动作的控制装置，钻机装置包括用于带动钻机1在垂直于隧道轴线方向的平面内具有水平方向移动分量的摆臂系统2，摆臂系统2与控制装置连接；摆臂系统2与滑车5连接，钻机1在垂直于隧道轴线方向的平面内可转动的设置于摆臂系统2，以实现钻机1的法向钻孔。

在使用的过程中，当需要对待钻孔位置进行钻孔时，可通过控制装置先使钻机装置相对于滑车5沿隧道的长度方向移动，直至钻机1的钻杆所在直线与待钻孔在垂直于隧道轴线方向上所在平面重合的位置，以使在垂直于隧道轴线方向上，钻机1的钻杆所在直线待钻孔的中心位置处于同一平面内；然后通过控制装置使摆臂系统2相对于滑车5移动，并具有沿水平方向的移动分量，直至钻机1与摆臂系统2的转动中心轴与待钻孔的法线相交；使钻机1相对于摆臂系统2转动至钻机1的钻杆中心线与待钻孔的法线重合的位置，此时钻机1对待钻孔进行钻孔可实现待钻孔的法向钻孔。

由于法向钻孔的过程中，钻机1的钻杆中心线与待钻孔的法线夹角为0°，如图2所示，径向锚固力fr＝fcosα，切向锚固力ft＝fsinα，其中fr为径向锚固力，ft为切向锚固力，f为锚固力，α为钻机1的钻杆中心线与待钻孔法线之间的夹角，p为待钻孔所在切平面，o为圆弧形隧道在垂直于隧道轴线方向平面内的圆心；在巷道支护中，主要是径向锚固力其作用，因此当α为0°时，可以获得最大的径向锚固力，提高巷道支护中的锚固效果，以达到更好的锚固效果。

优选的，可以使控制装置包括三坐标定位系统，三坐标定位系统可以获取待钻孔位置的坐标，并根据待钻孔位置的坐标，计算得到待钻孔的法线；控制装置控制钻机装置移动，直至钻机1与摆臂系统2的转动轴线与待钻孔的法线相交，由于钻机1与摆臂系统2的转动轴线垂直于待钻孔的法线，因此钻机1与摆臂系统2的转动轴线与待钻孔的法线交于一点；然后控制装置控制钻机1相对于摆臂系统2转动至钻机1的钻杆中心线与待钻孔法线重合，此时控制钻机1对待钻孔进行打孔，可实现待钻孔的法向钻孔。

需要进行说明的是，由于隧道的长度较长，因此将滑车5与掘进机连接，掘进机在前进的过程中，可以带动滑车5前进，并且钻机装置可以沿隧道的长度方向相对于滑车5移动，以使钻机装置在隧道的长度方向置于合适的位置。

需要进一步进行说明的是，钻机1在垂直于隧道轴线方向的平面内具有水平方向移动的分量是指，摆臂系统2在移动的过程中，可以带动钻机1移动，并且钻机1的移动方向具有水平方向的分量，以使钻机1与摆臂系统2的转动中心轴与待钻孔的法线相交；具体摆臂系统2是转动还是倾斜运动，或者是水平运动均可，只需能够使钻机1与摆臂系统2的转动中心轴与待钻孔的法线相交。

在上述实施例的基础上，可以使摆臂系统2包括可沿滑车5的长度方向移动的行走小车204、转动连接于行走小车204的大臂205，以及一端转动连接于行走小车204、另一端转动连接于大臂205的补偿油缸203；钻机1与大臂205连接，补偿油缸203伸缩运动、以使大臂205带动钻机1移动至钻机1、摆臂系统2的铰接点与待钻孔的法线重合的位置，补偿油缸203与控制装置连接；钻机1和摆臂系统2的铰接点为钻机1相对于摆臂系统2转动的转动中心轴与垂直于隧道轴线方向上待钻孔中心所在平面的交点；待钻孔的法线为垂直于待钻孔的切平面且经过待钻孔中心的直线。

在使用的过程中，可以通过控制装置控制补偿油缸203的伸缩，补偿油缸203的伸缩运动可以带动大臂205相对于行走小车204转动，由于钻机1与大臂205转动连接，大臂205转动，可以带动钻机1相对于行走小车204转动，钻机1相对于滑车5转动的过程中，具有水平方向的移动分量，因此可以移动至钻机1与大臂205的铰接点与待钻孔的法线重合的位置。

需要进行说明的是，由于钻机1在垂直于隧道轴线方向的平面内可相对于大臂205转动，因此钻机1与大臂205的铰接轴沿隧道的长度方向，而待钻孔的法线位于垂直于隧道轴线方向的平面内，因此钻机1与大臂205的铰接轴与待钻孔法线相交后，控制钻机1相对于大臂205转动，即可使钻机1的钻杆的中心线与待钻孔的法线重合。

优选的，如图4所示，大臂205可以是三角形板状结构。

在上述实施例的基础上，可以使行走小车204、大臂205和补偿油缸203呈三角形结构设置。

由于三角形结构具有较强的稳定性，行走小车204、大臂205和补偿油缸203呈三角形设置，在钻机1钻孔的过程中具有较强的反作用力，可以保证钻机1的正常推进。

在上述实施例的基础上，可以在大臂205设置用于带动钻机1相对于大臂205转动、以使钻机1的钻杆所在直线与待钻孔所在法线重合的摆动马达202，摆动马达202与控制装置连接。

在使用的过程中，可以通过控制装置控制摆动马达202的摆动角度，以使钻机1的钻杆中心线与待钻孔的法线重合。

优选的，为了安装方便，可以在摆动马达202上设置用于与钻机1连接的小臂201，且小臂201与摆动马达202连接。

在上述实施例的基础上，为了使钻机装置能够沿隧道的长度方向相对于滑车5移动，可以在滑车5设置用于推动钻机装置相对于滑车5移动的行走油缸3，行走油缸3的一端与滑车5连接，另一端与钻机装置连接，行走油缸3与控制装置连接。

使用时，可以通过控制装置控制行走油缸3的伸缩，从而控制钻机装置相对于滑车5的移动距离。

为了使钻机装置相对于滑车5的移动过程更加方便，可以在滑车5设置用于与行走小车204配合的行走轨道4，行走小车204沿行走轨道4滑动以使钻机装置相对于滑车5滑动。

行走小车204与行走轨道4之间可以通过滚轮的方式配合滚动，也可以是其它符合要求的方式，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

在上述实施例的基础上，可以使钻机1包括与摆动马达202连接的推进梁支座101、与推进梁支座101连接的凿岩机103以及用于带动凿岩机103工作的推进油缸102；推进油缸102设置于推进梁支座101，推进油缸102与控制装置连接。

在钻孔的过程中，钻机1的钻杆的中心线与待钻孔的法线重合之后，可以通过控控制装置控制推进油缸102的伸缩，以使凿岩机103的钻杆沿待钻孔的法线推进，完成钻孔。

在上述实施例的基础上，为了提高掘进机的锚杆机构的钻孔效率，可以使钻机装置包括沿滑车5的宽度方向对称设置的第一钻机装置和第二钻机装置；可以实现交替钻孔或不同位置的同时钻孔，以提高钻孔效率。

优选的，为了提高钻孔的精确度，可以设置用于检测钻机1的钻杆中心线所在位置并将检测结果传递给控制装置的传感器，传感器与控制装置连接。

控制装置可以根据传感器传递的信息对钻机1的钻杆中心线所在位置进行判断，优选的，控制装置内部设置有计算中心，计算中心可以通过传感器传递的信息计算得到钻机1的钻杆中心线与待钻孔法线之间的相对位置，以控制摆臂系统2和摆动马达202运动。

需要进行说明的是，本申请文件提到的第一钻机装置和第二钻机装置中的第一和第二只是为了说明位置的不同，并没有先后顺序之分。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。

以上对本发明所提供的掘进机的法向锚杆机构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。